تولید ترکیباتی شبیه به نفت از گیاهان با کمک فناوری نانو

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو؛ تیمی از محققان دانشگاه مینه‌سوتا، با ترکیب تخمیر و پالایش شیمیایی، فناوری را توسعه داده‌اند که می‌تواند مایعات نفت مانند را از گیاهان تولید کند. در این فناوری از نانوذرات به‌عنوان کاتالیست استفاده شده است. این مایعات تجدید‌پذیر می‌توانند جایگزین پایدارتری برای سوخت‌های فسیلی امروزی باشند که برای تولید محصولات روزمره مانند ظروف و کیسه‌های پلاستیکی، قطعات خودرو، روان‌کننده‌ها و صابون‌ها استفاده می‌شوند.

نتایج مطالعه جدید دانشمندان دانشگاه کالیفرنیا برکلی و دانشگاه مینه سوتا به‌صورت آنلاین در Nature Chemistry، از گروه انتشارات Nature منتشر شده است.

همیشه استفاده از گیاهان به عنوان منبع تولید پلاستیک برای دانشمندان دشوار بوده است، زیرا ترکیبات موجود در گیاهان از قند‌هایی تشکیل شده‌اند که هیچ شباهتی به مولکول‌های به‌دست آمده از نفت ندارند. قند کلیدی در گیاهان گلوکز است که حاوی مقادیر زیادی اکسیژن بوده و شش کربن دارد که برای بسیاری از کاربرد‌های مهم این ساختار بسیار کوچک است. برای استفاده از گیاهان در ساختن مواد جدید، هر دو مشکل باید حل شود، در فرآیند تبدیل باید اتم‌های اکسیژن را از گلوکز جدا کرد و مولکول‌ها باید برای ساخت محصولات بزرگ‌تر ترکیب شوند.

محققان مرکز پلیمر‌های پایدار NSF یک فناوری بهینه برای ساخت مایعات پایدار مشابه ترکیبات نفتی ارائه کرده‌اند که در آن از ترکیب دو فناوری مختلف استفاده شده است. ابتدا گلوکز به‌دست آمده از گیاهان با میکروب‌ها تخمیر می‌شود تا بیشتر اکسیژن این ترکیب حذف شود. در مرحله دوم، کاتالیزور‌های اکسید فلز، اکسیژن باقیمانده را از بین بردند و مولکول‌ها را با هم ترکیب کردند تا توزیع مفیدی از الفین‌ها را که بلوک‌های سازنده صنایع شیمیایی هستند، ایجاد کنند.

میشل چانگ، پروفسور شیمی و مهندسی شیمی و زیست مولکولی در دانشگاه کالیفرنیا برکلی و رهبر این گروه تحقیقاتی گفت: «دیدگاه ما در ابتدا این بود که نیاز به یافتن مولکولی داشتیم که بتواند به راحتی با تخمیر، بیشتر اکسیژن را از گلوکز جدا کند. ما برای استفاده از قابلیت‌های منحصربه‌فرد زیست‌شناسی مولکولی، فرآیندی شیمیایی را بهینه‌سازی کردیم تا پس از آن بتوانیم بقیه مشکل را با کاتالیزور‌های نانوذرات فلزی حل کنیم.»

گروه پروفسور چانگ یک سویه منحصر به فرد از اشریشیا کلی ایجاد کردند که گلوکز را به هیدروکسی اسید‌های هشت و ۱۰ کربنی تبدیل می‌کرد. میکروب‌ها از طریق مهندسی ژنتیک بهینه شدند تا بتوانند این مولکول‌ها را از قند گیاهی بسازند.

چانگ گفت که مولکول هدف به گونه‌ای طراحی شده است که اکسیژن در موقعیت‌های راهبردی باقی بماند تا تبدیل پایین دستی را کارآمدتر کند.

دوئنهاور که یکی از نویسندگان این مطالعه تحقیقاتی بود، گفت: «مولکول‌های تجدیدپذیر زیستی که گروه پروفسور چانگ ساختند، مواد خام برای پالایش کاتالیزوری بودند. این مولکول‌ها به اندازه کافی اکسیژن داشتند که می‌توانستیم آن‌ها را با استفاده از کاتالیزور‌های نانوذرات فلزی به مولکول‌های مفیدتر تبدیل کنیم. این کار به ما امکان داد تا محصولات مولکولی مختلفی را تولید کنیم، درست مانند فرآورده‌های نفتی معمولی، به جز این که این بار از منابع تجدیدپذیر استفاده می‌کردیم.»

آزمایشگاه داوئنهاور در دانشگاه مینه‌سوتا طیف گسترده‌ای از کاتالیزور‌ها را غربالگری کرد تا نشان دهد که مولکول‌های زیستی نفت ساخته شده از تخمیر می‌توانند به طیف وسیعی از مواد شیمیایی مهم تبدیل شوند. نتایج کار آن‌ها شامل مولکول‌های کوچک برای ساخت پلیمر‌های کلیدی مانند پلی‌اتیلن و پلی‌پروپیلن بود، موادی که مورد استفاده در محصولاتی مانند کیسه‌های پلاستیکی و مولکول‌های سایز متوسط ​​برای ساخت مواد لاستیکی هستند.

مهمتر از همه این بود که، توانایی ترکیب مولکول‌های محصول تخمیر با هم برای تولید مولکول‌های بزرگتر فراهم بود که این کار می‌تواند به‌عنوان پایه‌ای برای ساخت مولکول‌های صابون مانند برای کاربرد‌های تمیز کردن و مولکول‌های زنجیره طولانی‌تر برای روان‌کننده‌ها باشد.